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bio-mech : 2013/1/21(19:0) (7/241)

第

1 編細胞のバイオメカニクス

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1 序論

佐藤正明 3

2 細胞による外力感知・適応のメカニズム

出口真次 7 2.1 細胞の力応答 . . . 7 2.1.1 説明の構成 . . . 7 2.1.2 「力」が細胞に及ぼす影響 . . . 8 2.1.3 対象となる細胞および状態 . . . 10 2.1.4 _{力応答の重要性 . . . .} 12 2.2 細胞内メカノセンサと力学環境への適応 . . . 14 2.2.1 メカノセンサ . . . 14 2.2.2 力学環境への適応 . . . 16 2.2.3 力学的ホメオスタシス . . . 19 2.3 _{ストレスファイバ . . . .} 20 2.3.1 ストレスファイバの構造 . . . 20 2.3.2 ミオシン II . . . 22 2.4 ストレスファイバの収縮特性と細胞の力応答 . . . 24 2.4.1 ストレスファイバの等尺性収縮 . . . 24 2.4.2 _{収縮と構造の関係 . . . .} 26

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bio-mech : 2013/1/21(19:0) (8/241) viii 目次 2.4.3 その他の重要な性質 . . . 27 2.4.4 収縮特性に基づく力学的ホメオスタシスの機構 . . . . 29 2.4.5 力学的ホメオスタシスの意義 . . . 33 2.4.6 ストレスファイバ再構築のその他の例 . . . 34 2.4.7 細胞内ひずみとストレスファイバの分布の関係 . . . . 36 2.5 最後に . . . 39

3 アクチン細胞骨格のバイオメカニクス

安達泰治 41 3.1 はじめに . . . 41 3.2 分子モデルによるアクチンタンパク質の動的挙動解析 . . . . 42 3.2.1 分子動力学解析 . . . 42 3.2.2 アクチン単量体の解析 . . . 47 3.2.3 アクチンフィラメントの解析 . . . 50 3.3 粗視化モデルによるアクチンフィラメントの挙動解析 . . . . 52 3.3.1 粗視化分子の動力学解析 . . . 52 3.3.2 アクチン分子の粗視化による力学解析 . . . 56 3.3.3 _{溶媒の粗視化による重合過程の解析 . . . .} 59 3.3.4 アクチン分子・溶媒の粗視化によるダイナミクス解析 62 3.4 連続体モデルによるアクチン細胞骨格の挙動解析 . . . 64 3.4.1 連続体力学解析 . . . 64 3.4.2 アクチンフィラメントの解析 . . . 68 3.4.3 _{微視構造を考慮したアクチンフィラメントの連続体} モデル . . . 71 3.4.4 アクチンネットワークの解析 . . . 73 3.5 おわりに . . . 75 3.5.1 アクチン細胞骨格のマルチスケールメカニクス研究の展開 . . . 75 3.5.2 細胞力学シミュレーションへ研究への展開 . . . 76

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bio-mech : 2013/1/21(19:0) (9/241) 目次 ix

第

2 編生体系と人工系のバイオメカニクス

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1 人工系による生体機能代替

村上輝夫 87 1.1 はじめに . . . 87 1.2 人工系による生体機能代替に関する留意点 . . . 89 1.3 臓器・組織の代替技術におけるバイオメカニクスの視点 . . . 92 1.3.1 人工心臓の臨床適用におけるバイオメカニクス . . . . 93 1.3.2 _{再生組織におけるバイオメカニクス . . . .} 94 1.3.3 運動機能代替におけるバイオメカニクスの視点 . . . . 96 1.3.4 運動支援パワーアシストデバイスにおけるバイオメカニクス . . . 98 1.3.5 ヒト肩関節の筋骨格構成を規範としたロボット肩関節シミュレータ . . . 100 1.3.6 神経生理学的リハビリ用ロボット装具 . . . 104 1.4 おわりに . . . 106

2 生体関節と人工関節のバイオメカニクス

廣川俊二 109 2.1 はじめに . . . 109 2.2 生体膝関節のバイオメカニクス . . . 111 2.2.1 生体膝関節のキネマティクス . . . 111 2.2.2 筋・靭帯の協調作用 . . . 112 2.2.3 関節に働く荷重の計算 . . . 117 2.3 人工膝関節のバイオメカニクス . . . 121 2.3.1 人工膝関節の分類 . . . 121 2.3.2 体内における人工膝関節のキネマティクスの測定 . . . 127 2.3.3 深屈曲が可能な人工膝関節の開発 . . . 136 2.3.4 膝関節荷重の in vivo 計測 . . . 141

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bio-mech : 2013/1/21(19:0) (10/241) x 目次 2.4 生体・人工股関節のバイオメカニクス（脱臼のメカニズム） . 146 2.5 関節のバイオメカニクス研究に関する課題と展望 . . . 153 2.5.1 関節運動の正確な計測 . . . 153 2.5.2 二関節筋の機能を組み込んだモデル解析の取組み . . . 156 2.5.3 in vivo 実験を代行する人工膝関節シミュレータの開発 158

3 生体関節と人工関節のバイオトライボロジー

村上輝夫 167 3.1 生体関節と人工関節におけるトライボロジー特性の重要性 . . 167 3.2 生体関節のトライボロジー . . . 169 3.2.1 関節軟骨と関節液 . . . 169 3.2.2 生体関節の潤滑機構 . . . 173 3.2.3 生体関節におけるトライボ機能の維持について . . . . 192 3.3 人工関節におけるトライボロジー . . . 193 3.3.1 人工関節におけるトライボロジーの重要性 . . . 193 3.3.2 人工関節における摩耗機構の把握と摩耗特性の評価 . 200 3.3.3 人工関節におけるトライボ特性の高機能・高性能化 . 202 3.3.4 _{人工軟骨の導入による潤滑モードの改善 . . . .} 210 3.3.5 人工関節は生体関節にどこまで接近するか？ . . . 217

索引

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